morfologías de robótica estacionaria

Revista TECKNE 10 (1) p. 21 - 28. Jun. 2012.
MORFOLOGÍAS DE ROBÓTICA ESTACIONARIA-UNA
REVISIÓN DE LOS ÚLTIMOS 40 AÑOS
MORPHOLOGY OF STATIONARY ROBOTICS- A REVISION OF THE LAST 40 YEARS
Y. A. Becerra
Fundación de Educación Superior INSUTEC
RESUMEN
Este artículo presenta una visión general de la robótica estacionaria, destacando las diferencias encontradas entre las distintas morfologías existentes. Para este artículo se tomaron en cuenta tres tipos de
morfologías, los brazos robóticos convencionales utilizados en la industria, la inspiración biológica y los
robots paralelos. Se intenta centrarse en aquellos robots que están sujetos a una base para desarrollar
una tarea específica. El artículo intenta servir de guía, resumiendo los trabajos realizados por distintos
autores en la robótica estacionaria, además como extractor de ideas para futuros diseños.
PALABRAS CLAVE:Morfología, Diseño, Robótica, Manipuladores, Estacionario.
ABSTRACT
This article presents a general overview of stationary robotic, highlighting the differences found out between the varied existing morphologies. For this article, three kinds of morphologies were taken into account, the conventional robotics arms used in industry, the biological inspiration and the parallel robots. It
is focused in those robots that are joined to a base in order to develop a specific task. The article attempts
to be a guide, summarizing works done by different authors in stationary robotic besides as an extractor
of ideas for future designs.
KEYWORDS: Morphology, Design, Robotics, Manipulators, Stationary.
Las configuraciones de los primeros robots se basaron e inspiraron en el ser humano. Hacia el año de 1982, el profesor
Makino de la Universidad Yamanashi de Japón, desarrolló
el concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), el cual buscaba un robot con un número
de grados de libertad reducidos (3 o 4), un coste limitado y
una configuración orientada al ensamblado de piezas (Barrientos, 2007).
I. INTRODUCCIÓN
El concepto de robótica estacionaria parte de los sistemas
que se encargan de la realización de una tarea cualquiera sin
incurrir en desplazamientos. Se define que cada robot tiene
su espacio de trabajo, siendo para un robot móvil, “infinito”,
mientras que para un robot estacionario dependerá del alcance que tengan sus articulaciones.
En los últimos años, se ha comenzado a trabajar en la robótica con inspiración biológica, algunas de las morfologías
más usadas tomadas actualmente de la naturaleza son la de
los gusanos, las aves y los reptiles.
A lo largo de las últimas décadas se ha observado el avance
que ha tenido la robótica en los distintos sectores de producción, siendo ésta de gran ayuda en la solución de distintos
problemas, como pueden ser tareas riesgosas en donde la
integridad del ser humano podría verse comprometida e.g.
manipulación de desechos radioactivos, exploración de entornos desconocidos. Tareas repetitivas, como la manipulación y ensamblado continuo de piezas en una industria e inclusive que requieran el desplazamiento y posicionamiento
de objetos pesados.
Como se puede comprender, la robótica ha llevado al mejoramiento de los procesos en las distintas industrias e.g. alimenticia, automotriz, agropecuaria, espacial, militar, médica, marítima, hídrica, entretenimiento, entre muchas otras.
A grandes rasgos se podría clasificar la robótica en dos grandes grupos, la robótica móvil y la robótica estacionaria, este
artículo se va a centrar en la segunda, la cual se refiere a robots que se mantengan fijos a una superficie y no presenten
desplazamiento alguno.
También se podría pensar en tareas que requieren de un alto
grado de precisión e.g. soldado de circuitos impresos, procedimientos quirúrgicos.
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Detrás de cada movimiento robótico, se encuentra una serie
de evaluaciones geométricas complejas y ecuaciones que
describen la dinámica del movimiento. Según se describe en
primeros trabajos publicados (Lee, 1982; Hollerbach, 1980;
Bejczy, 1974; Paul, 1980; Lee y lee, 1982; Turney, et al.,
1980) sobre la cinemática y dinámica del robot, conceptos
como Matriz Homogénea de Transformación, cinemática
directa e inversa, algoritmo de Denavit-Hartenberg y formulaciones tales como Lagrange-Euler, Newton-Euler, entre
otras para hallar la dinámica del robot, empezaron a tomar
fuerza.
II.BRAZOS ROBÓTICOS-MANIPULADORES
Mecánicamente, el robot está conformado por una serie de
eslabones, unidos por articulaciones. Cada articulación que
compone un robot es conocida como grado de libertad DOF,
sigla proveniente de la expresión en inglés Degree of Freedom. Como se mencionó previamente, la constitución del
robot guarda una gran similitud con la anatomía del brazo
humano. Ver Figura 1.
Ahora bien, dando una muy breve introducción a cada uno
de estos conceptos, la matriz de transformación homogénea
permite representar conjuntamente la posición y la orientación de un sólido en el espacio. La cinemática directa permite posicionar cada una de las articulaciones para llegar a un
punto en el espacio cualquiera, mientras que la cinemática
inversa realiza lo contrario, conociendo el punto en el espacio al que se desea llegar, las articulaciones son posicionadas
para que este pueda llegar a ser alcanzado. El algoritmo de
Denavit-Hartenberg (Denavit y Hartenberg, 1955), (Uicker,
et al., 1964), se refiere a una serie de pasos secuenciales que
permiten obtener tanto la cinemática directa como la inversa
de un robot de n grados de libertad. La dinámica del robot,
tiene como objetivo encontrar la relación entre el movimiento del robot y las fuerzas implicadas en el mismo.
Dependiendo de la aplicación que se le dé al robot, este variará sus grados de libertad, incrementándolos o decrementándolos. Las configuraciones más usuales o frecuentes se
encuentran reflejadas en la Figura 2 en donde se aprecian
tres articulaciones, lo que correspondería a 3 DOF, que es
suficiente para ubicar su extremo en un punto cualquiera en
el espacio. Sin embargo, si se precisa orientar y posicionar el
efector final del robot, habrá que contar como mínimo con 6
DOF, correspondiéndole al brazo tres grados de libertad que
permitirá al sistema posicionarse y a la muñeca los 3 grados
restantes, los cuales permitirán orientar el efector final del
sistema.
A medida que los años transcurrían se empezó a ver la necesidad de construir robots con estructuras mecánicas más
complejas, esto lógicamente se veía reflejado en los grados
de libertad de estos mismos y en el tratamiento matemático
en el que se incurría.
Uno de las configuraciones más famosas en la robótica es
el PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) el cual es un robot de 6 grados de libertad (ver Figura 3.), orientado a colaborar en procesos industriales. Esta
configuración fue llamativa para diversos investigadores de
distintas Universidades, los cuales buscaron resolver la cinemática directa inversa por métodos algebraicos, iterativos
o geométricos, sin embargo, el método algebraico no da una
clara indicación de cómo seleccionar la solución correcta de
las tantas posibles soluciones que este ofrece, mientras que
el método iterativo requiere más computo y no garantiza
una convergencia a la solución. La solución geométrica es
la más viable (Lee y Ziegler, 1984), debido a que las tres
primeras articulaciones tienen pares de revolución o prismáticos y los tres últimos ejes de las articulaciones se cruzan
en un punto.
Un trabajo presentado un año más tarde (Elgazzar, 1985),
se basó nuevamente en la solución cinemática del robot
PUMA, pero en este caso no solo presentó la solución de
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la cinemática inversa, sino también la directa, velocidades y
aceleraciones.
(Angeles, et al., 2000) años después permitió el desarrollo
de aplicaciones en control moderno, tales como el acto de
balanceo de un péndulo invertido en su efector final (Sprenger, et al., 1998). El sistema consistía en un pequeño magneto localizado en el fondo del péndulo y unos sensores de
Hall-Effect, localizados dentro del efector final (ver Figura
4.).
Fig. 3. Sistema de coordenadas para el robot PUMA – Tomada de
Lee, 1984.
La destreza para manipular objetos no puede dejar de mezclar conceptos de robótica y neurofisiológicos (Benati, et al.,
1980; Raibert, 1978), un estudio preliminar, fue intentar entender la complejidad de la dinámica de manipulación, aunque esta fue basada en el número de ecuaciones cinemáticas
y dinámicas que aparecen en la resolución del problema.
Fig. 4. Péndulo invertido en el Robot SCARA – Tomada de
Sprenger, 1998.
Una de las configuraciones más populares, usada en una
gran variedad de aplicaciones robóticas, es la de montar una
cámara en el manipulador del robot. Esto permite que a través de la cámara el robot sea capaz de llevar su efector final
al lugar deseado y previamente detectado por la cámara. Mediante el algoritmo desarrollado en (Zhuang, et al., 1995),
la cinemática del robot y la cámara convergen en un solo
estado, (ver Figura 5.).
Una gran incógnita que empezó a surgir con el pasar de los
años y la cual era de vital importancia para sistemas robóticos inspirados en el brazo humano, fue entender el mecanismo que controlaba el mismo. Una de las primeras consideraciones que se tomaron en cuenta (Cruse, et al., 1990) fue la
de considerar el brazo humano como un sistema redundante:
hombro, codo y muñeca, los cuales proveían 3 grados de
libertad. Combinando el movimiento de la mano en un plano
horizontal, el sistema finalmente se componía con un grado
de libertad extra.
Conceptos tales como el modelamiento cinemático, el diseño mecánico y el rango de movimiento, tuvieron que ser
tenidos en cuenta para construir brazos robóticos antropomórficos que estuvieran inspirados en la biología del ser
humano (Berns, et al., 1998; Rosheim, 1994). El principal
enfoque de esta investigación fue crear un robot de servicio
que pudiera auxiliar a la gente en sus tareas diarias.
Diversas aplicaciones aparecieron para las distintas configuraciones ya establecidas en años anteriores. El robot SCARA
que fue principalmente diseñado para tareas de ensamblaje
Fig. 5. Sistema robótico y su asignación de sistemas de
coordenadas – Tomada de Zhuang, 1995.
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Hacia el año de 1983, se clasificaron 16 tipos de robots manipuladores industriales, (Milenkovic y Huang, 1983), con
lo cual en años posteriores, se empezó a definir la cinemática de cada uno de estos (directas e inversas), empleando diversos tratamientos matemáticos para hallarlas. Un ejemplo
de estos se puede encontrar en el trabajo desarrollado por
Kucuc y Bingul (2004), el cual se centró en el desarrollo
cinemático del robot cilíndrico, robot cilíndrico con cúpula,
robot SCARA y robot articulado.
debido a su flexibilidad y su movimiento suave (Takanobu,
et al., 2004; Nishikawa, 2002; Sawada y Osuka, 1999), otros
en los tentáculos de los pulpos (Immega y Antonelli, 1995;
Immega, 1994), intentando dar una alternativa a los convencionales brazos robóticos rígidos.
Distintas investigaciones se centraron en la trompa del elefante y en los tentáculos del pulpo, siendo estas dos estructuras de gran interés para sistemas robóticos híper-redundantes. Estudios del modelamiento cinemático (Gravagne y
Walker, 2000; Hannah y Walker, 2001) y la debida construcción del sistema se han llevado a cabo (ver Figura 6.). En
este sistema redundante, hallar la cinemática no es problema
de fácil solución por métodos analíticos, por lo cual se planteó una solución numérica.
III.INSPIRACIÓN BIOLÓGICA
Robots tradicionales tienen estructuras rígidas que limitan su
habilidad de interactuar con el entorno, como es el caso de
los robots manipuladores, de los cuales se habló en el capítulo anterior. Estos robots a menudo encuentran dificultades
al operar en entornos no estructurados. Una gran variedad
de plantas y animales exhiben movimientos complejos con
estructuras suaves desprovistas de componentes rígidos.
Por otro lado, estudios sobre el modelamiento dinámico del
tentáculo del pulpo ha sido desarrollado, siendo este modelado como una estructura multisegmento, cada segmento
contiene los músculos longitudinales y transversales (Yekutieli, et al., 2005).
Habrá que tener en cuenta que estas morfologías involucran
grados de libertad redundantes, pero que a su vez permiten
la realización de tareas delicadas y ser usadas en entornos
no estructurados.
Diversos manipuladores con inspiración biológica han sido
desarrollados, entre los más frecuentes y conocidos actualmente se encuentran la trompa del elefante, los tentáculos
del pulpo, las lenguas de mamíferos y las serpientes. Estos
manipuladores biológicos sirven como una fuente de inspiración para el diseño y aplicación de los robots manipuladores (Robinson y Davies, 1999; Kier y Smith, 1985; Wilson y
Mahajan, 1989; Davies, 1991; Hirose, 1993).
Investigaciones en la biomecánica y comportamiento de los
animales nombrados previamente, han tenido que ser desarrolladas para llegar a comprender estas nuevas configuraciones. Un ejemplo de lo mencionado, fue la investigación
realizada por el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Clemson, la cual conectaba
la biomecánica y el comportamiento del pulpo para el desarrollo de brazos robóticos manipuladores con amplio rango
en las habilidades de destreza (McMahan, et al., 2004).
Fig. 6. Trompa de Elefante Robotizada – Tomada de Hannan,
2001.
Este tipo de sistemas pueden ser bastante útiles en diversos
campos. Una de las aplicaciones fue la mostrada en el trabajo de Tsukagoshi et al. (2001), la cual fue diseñada para
operaciones de rescate en la búsqueda de victimas después
de un terremoto, suplir aire fresco, agua y transportar las
chaquetas de aire que permitan transportar a la víctima al
exterior.
Como ya se nombró previamente, el crear robots flexibles
demanda de múltiples grados de libertad. Algunos autores se
basaron en estructuras como las lenguas de los mamíferos,
El desarrollo de estas morfologías ha permitido el acceso a
entornos restringidos, tales como las operaciones de resca
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te nombradas previamente, u otras como desactivación de
bombas en automóviles, sector aeroespacial (acceso interno
en las alas) e instalaciones de gestión nuclear. Con morfologías mostradas en el anterior capítulo, estas tareas serían
de difícil solución o incluso imposibles. En el trabajo snakearm robots (Buckingham y Graham, 2003), se muestra como
estas distintas tareas pueden ser solventadas por un robot
con las características planteadas en el mismo, (ver Figura
7.).
Fig. 8. Primera Plataforma de Gough – Tomada de web, 1947.
Otro de los precursores de este tipo de estructuras fue Stewart
hacia el año de 1965, su trabajo se centró en crear una plataforma la cual fuera usada como simulador de vuelo. Este
fue uno de los primeros trabajos de análisis de plataformas
paralelas.
Paralelamente con Stewart, Cappel en el Franklin Institute
Research Laboratory realizaba numerosas investigaciones
con plataformas paralelas de 6 grados de libertad. En el año
de 1967, Cappel (1967) patentó un simulador de movimiento basado en un hexápodo (ver Figura 9.).
Fig. 7. Snake-arm Robot – Tomada de OCRobotics, 2003.
IV.ROBOTS PARALELOS
Nuevamente haciendo énfasis en los robots industriales se
puede entender que la morfología presentada es inminentemente antropomórfica (semejante a la funcionalidad del
brazo humano). Teniendo en cuenta esto, se puede esperar
que la carga soportada por un robot industrial convencional,
no sea demasiado alta.
Si la carga es distribuida en una serie de brazo en vez de
uno solo, el problema mencionado previamente podrá ser
resuelto, por lo cual se llega al concepto de robot paralelo,
estos generalmente constan de una base y una plataforma
conectadas a través de una serie de brazos (cada uno actúa
independientemente).
Fig. 9. Simulador de movimiento – Tomada de Cappel, 1967.
Las estructuras de Gough, Stewart y Cappel fueron creadas
con fines distintos, pero no fue sino hasta el año de 1978 que
Hunt (1978) pensó integrarlas a la robótica por las prestaciones que estas brindaban en cuanto a rigidez y precisión con
respecto a robots convencionales.
Una de las estructuras paralelas más populares actualmente, fue la diseñada por Gough hacia el año de 1947, ésta
consistía en una plataforma para la comprobación del comportamiento de los neumáticos de la casa Dunlop (empresa
donde laboraba), bajo cargas aplicadas en diferentes ejes,
(ver Figura 8.).
Existe una gran cantidad de configuraciones estructurales
para los robots paralelos, pero según el tipo de movimientos
que estos son capaces de realizar, se pueden distinguir dos
grupos, los robots planares y los espaciales.
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Las estructuras planares son aquellas en las que sus movimientos se reducen al plano, mientras que las estructuras espaciales evolucionan en todo el espacio tridimensional. Para
las primeras se tienen pocos grados de libertad (2 o 3), en
las segundas se involucran tantos grados de libertad como la
tarea los solicite. Merlet ha sido uno de los autores que más
ha estudiado las distintas configuraciones que existen en los
robot paralelo (Merlet, 1992; Merlet, 1996; Merlet, 1997).
Algunos robots paralelos de tipo comercial, que manipulan
grandes cargas fueron los construidos por compañías como
Fanuc y ABB (ver Figura 11.).
Al tiempo que se comenzaron a visualizar las distintas morfologías de los robots paralelos, estudios en la cinemática
directa e inversa empezaron a llevasen a cabo. Como se vio
en los capítulos anteriores diversos investigadores trataron
estos problemas con robots industriales, además fueron pioneros en el desarrollo de la cinemática para robots, sin embargo fueron Fichter (1986) y Merlet (1990) los primeros
que estudiaron de forma rigurosa la cinemática de los robots
paralelos, concluyendo en sus trabajos que la obtención del
modelo cinemático inverso es más fácil que la del modelo
cinemático directo, caso contrario a los robots industriales
convencionales. Diversos autores volvieron a desarrollar sus
propios algoritmos para resolver el problema cinemático, basándose en la plataforma Stewart (Boney y Ryu, 1999; Husty, 1996; Tsai y Lin, 2005; Dietmaier, 199; Huang, 2010).
Fig. 11. Fanuc F100i y ABB 940 – Tomada de web, 2006.
Robots como el Robotenis (ver Figura 12.), que continua
siendo paralelo, tenían una finalidad distinta a la de manipular grandes cargas y ésta era la de ofrecer prestaciones en
cuanto a velocidad. Este sistema además de su alta velocidad
(2m/s) realizaba tareas complejas guiadas por un sistema
de visión, una de las cuales era que intentase jugar tenis de
mesa, la cual arrojó buenos resultados (Angel, et al., 2005).
Diversos robots paralelos se han desarrollado con una gran
diversidad de aplicaciones en distintos sectores. Sandia
Hexel Tornado 2000 (ver Figura 10), fue diseñado para ser
usado como fresadora, con 6 grados de libertad, juntas universales, prismáticas y esféricas unidas a la base (Wiens y
Hardage, 2006). Los requerimientos en cuanto versatibilidad en el posicionamiento de las herramientas en los centro
de mecanizado hacen de gran interés el uso de mecanismos
paralelos con este fin.
Fig. 12. Prototipo del sistema Robotenis
– Tomada de Angel,
.
Sebastian, Saltaren, 2005
Otra de las ventajas que tienes los robots paralelos, es la
de precisión. Estos sistemas tienen una mayor precisión de
posicionamiento que los robots series, ya que los errores de
los accionadores se compensan en lugar de incrementarse.
Estos robots son cada vez más requeridos en operaciones
sobre microsistemas.
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Por último, este tipo de sistemas también fue inducido en la
telerobótica. MAGISTER (ver Figura 13) fue un robot paralelo tipo háptico que generaba reflexión de fuerzas a través
de la lectura que hacía de la posición actual del operador
(Sabater, et al., 2004).
tes con la Institución determinan la coherencia.Por tanto, el
sentido y la dirección correcta.
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Fig. 13. MAGISTER – Tomada de Sabater, Saltaren, Aracil, 2004.
V. CONCLUSIONES
En este artículo se presentó una breve recopilación de los
diseños más relevantes y utilizados en las distintas morfologías durante los últimos 40 años, así como sus características
más relevantes y funcionalidades al momento de desarrollar
una tarea específica el robot. El artículo pretende ser de ayuda al momento de querer definir un diseño preliminar para
un robot, dependiendo del alcance que este mismo tenga y
los requisitos que el entorno demande.
Cada morfología presenta sus ventajas y desventajas frente
a las otras, adoptándose cada una de ellas a las necesidades
que presente el entorno.
Al observar la gran variedad de diseños en robótica estacionaria y las oportunidades de que estos sigan evolucionando,
se espera nuevos desafíos técnicos y oportunidades en la investigación.
victimas después de un terremoto, suplir aire fresco, agua y
transportar las chaquetas de aire que permitan transportar a
la víctima al exterior.
suscitados como reacción natural ante un cambio, representan un síntoma, no el problema. Sin embargo, no es posible
administrarlos conflictos. Estos, deben ser resueltos de manera adecuada y oportuna, reiterando que la persona es un
concepto social.Por tanto, los rasgos definitorios concordan.27.
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AUTOR
Yeyson Alejandro Becerra Mora está con La Fundación de Educación Superior INSUTEC, Bogotá, Colombia, (e-mail: yeyson.becerra@ insutec.edu.co).
Recibido en mayo 7 de 2012. Aceptado en junio 14 de 2012. Publicado en junio 30 de 2012.
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